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Themen der Wissenschaft: Planeten-Ringe – Dynamische Laboratorien im Sonnensystem

Filigrane Ringe aus Eis und Staub umgeben die Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Sie sind die flachsten Strukturen im Universum und zeichnen sich durch eine komplexe Dynamik aus. Die Rillen, Wellen und »Propeller«, die moderne Raumsonden in den Ringsystemen enthüllen, liefern wichtige Hinweise auf die Bildung von Strukturen und sogar auf die Entstehung von Planeten.
Die Scheibenform ist neben der Kugel die im Kosmos am häufigsten anzutreffende Struktur. Sie ist grundsätzlich mit der Entstehung von Himmelskörpern verknüpft und eine natürliche Folge des Wechselspiels der Kräfte. Instabilitäten in einer Ansammlung von Materie – zum Beispiel der gravitative Kollaps einer Molekülwolke zu Protosternen – zusammen mit der Erhaltung des Drehimpulses erzwingen die Bildung von Materiescheiben um ein zentrales Objekt.So mancher wird sich mit amüsierter Bewunderung eines Pizzabäckers erinnern, der mit gekonntem Schwung den Pizzateig in Rotation versetzt und ihm so die gewünschte flache Form verleiht. Bei der Bildung kosmischer Scheiben übernimmt die frei werdende Gravitationsenergie beim Kollaps der Materie den Part des Pizzabäckers, jedoch unter der Knute der Drehimpulserhaltung. Dieses Szenario läuft auf den verschiedensten Größenskalen ab: Die Physik der Entstehung von Spiralgalaxien mit Durchmessern von 100 000 Lichtjahren ist mit der Bildung von Gas-Staub-Scheiben, die sich nur über einige Hundert Astronomische Einheiten um einen entstehenden Stern erstrecken, und nicht zuletzt mit der Dynamik planetarer Ringe eng verwandt. Letztere sind die kleinsten kosmischen Scheiben und mit Durchmessern von einigen Hunderttausend Kilometern geradezu winzig im Vergleich mit ihren großen Verwandten. Trotz der Unterschiede laufen in all diesen Scheiben viele Prozesse in ähnlicher Weise ab. Beispielsweise haben die Spiralarme in Galaxien und die Dichtewellen in planetaren Ringen den gleichen physikalischen Ursprung.

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